高校非理工類專業工業機器人工程實訓教學改革探索

明顯誠　王國超

摘? 要 目前，重慶理工大學工業機器人工程實訓主要針對機械類專業開設全周期教學內容，對于少學時的非理工類專業學生則普遍采用認知實習，已經不能滿足發展需求。隨著學科間交叉融合深入，有必要將工業機器人新興教學內容應用到非理工類專業學生實訓上，因此在課程設置、考核方式等方面進行相應改革，通過構建網絡學習云平臺、設計虛擬仿真在線學習系統等多種方式，用于非理工類專業學生實踐教學。

關鍵詞 非理工類專業;工程實訓;實踐教學;工業機器人;翻轉課堂;虛擬仿真在線學習系統;云平臺;MOOC

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）04-0128-04

Teaching Probe of Universities Industrial Robot Practicum for Non Science and Engineering Majors//MING Xiancheng， WANG Guochao

Abstract At present， the industrial robot engineering training in our?school mainly focuses on the full cycle teaching content of the me-chanical specialty， while the cognitive practice is widely used for the non science and engineering students with few class hours， which can no longer meet the development needs. With the deepening of?interdisciplinary integration， it is necessary to apply the new teaching?content of industrial robots to the practical training of non science and engineering students. Therefore， the corresponding reform should?be carried out in terms of curriculum setting and assessment methods.?Through the construction of network learning cloud platform， the design of virtual simulation online learning system and other ways， it can be used for practical teaching of non science and engineering students.

Key words non science and engineering majors; engineering trai-ning; practice teaching; industrial robot; flipped classroom; virtual simulation online learning system; cloud platform; MOOC

1 引言

目前，重慶理工大學工程訓練中的工業機器人實訓模塊針對非理工類專業學生采取的是認識實習，主要實訓包括工業機器人行業背景了解、工業機器人各個組成部分認知、工業機器人坐標系運動方式掌握等基礎內容，完成簡單仿真作業任務（工具坐標系創建、機器人系統創建、簡單路徑的規劃等）。教學方式則采用實訓教師演示的方式?，F行的教學內容和方法已經不能滿足對于非理工類專業學生的實訓要求，主要有下面一些弊端。

1）學生普遍“走馬觀花”，興趣不高，教學效果較差。非理工類專業學生在進入工作站進行實訓時，對于工業機器人方面是沒有專業知識背景的[1]，等同于從零開始學，按照常人的學習定律，勢必經歷一個漫長的初期艱難過程。因此在短時間灌輸式教學過程中，學生很難找到興趣點和切入點，最終提不起學習動力，無功而返。

2）隨著新經濟技術領域的不斷發展，中心開展的工業機器人實訓教學內容也與時俱進，不斷增加，層出不窮，卻很少思考怎么應用到少學時的非理工類專業教學上來，還是受固有思想的束縛，實訓模式單一，實訓案例簡單粗狂。這兩者之間形成不可調和矛盾，亟待解決。

3）科學素養和人文情懷沒有建立[2]。針對非理工類專業學生的工業機器人工程訓練課程還局限于單學科以及技能訓練傳統觀念，沒有做到學科交叉融合。評價考核機制較為單一，除了簡單的仿真任務評定成績之外，更多的是關注實習完畢之后報告冊成績評定。這樣不僅嚴重束縛了學生個性化的發展，也抑制了學科間的互融互通。新經濟對于人才的要求已不再局限于把本專業知識學好，非理工類專業學生更需要學習新技術新領域，要養成良好的科學素養，學習科學情懷，具備科學理念，學會溝通，善于協作，協調事物能力等。這樣的要求同樣適合于機械類專業學生。

2 針對非理工類專業工業機器人工程實訓教學改革措施

改革措施實施需滿足的前提條件

1）在設計制作網絡學習資料和素材的時候，每個知識點信息量不能過大，但覆蓋面要有廣度，要有很多可選性和備選方案[3]。這樣的目的主要是幫助沒有專業知識背景的非機類專業學生初期更容易找到自己感興趣的切入點或是目標點，從而帶著興趣學習，提高學習動力。如在網絡在線平臺設置講解機器人坐標系的時候，除了常用的大地坐標系、基坐標系、工具坐標系以外，不常用的工件坐標系也要講解出來。為什么要設置工件坐標系？最大用處是什么？學生通過學習這個寬范圍的知識點，只要找到一個坐標系的切入點，學習弄懂后，其他幾個坐標系自然就會融會貫通。

2）開發在線教學系統時，要與傳統教學手段相比較，不能一味地采用先進教學手段，也必須與傳統教學手段相結合，要注重解決傳統教學手段在教學過程中無法解決的問題[4]。如傳統黑板、粉筆撰寫板書或PPT教學時，信息量停留時間較短，學生不容易完全消化吸收知識點;如果采用在線PPT、微視頻、圖片等教學資源，學生便能反復學習，思考問題，記憶知識點，領會知識點。

3）學生是有個體差異的，要體現出學生的主體性。個性化是培養創新創業能力、跨界整合能力的內在要求，也是對新時期工程教育對象學習和思維習慣的響應[5]。因此必須尊重學生作為個體“人”的發展需要，充分考慮每一個學生的個體差異，給所有學生以充分的機會來達到學習成果[5]。在開發課件資源的時候，教師必須聽取學生的意見，綜合各種因素的影響。

4）所傳授的知識要點都需要有新意和創意[6]。如在講解如何新建一個工具坐標的時候，用到的方法則是“四點法”和“六點法”，完成一個工具坐標系的創建。那么可以給出學生思考性問題，即能否在已知坐標參數的情況，通過輸入各項參數值來創建坐標系？也就是提出一些新的方法和途徑達到同樣的效果，用多種啟發性的問題來引導學生學習。

創建網絡在線教學信息輔助資源（PPT、圖片、微視頻等）? 對于少學時非理工類專業學生，傳統的“一講二學三練”的工程實訓教學方式已經不適用。有限的課堂時間必須在這個練字上下功夫，講和學則要放在課前完成。設計在線課程的方式方法遵循MOOC的先進理念，通過與微軟公司戰略合作，搭建在線網絡平臺。而實訓教師則需要將傳統講堂搬到網絡上來，分階段和步驟來設置教學知識點，如表1所示。

微軟與學校工程訓練中心開展戰略合作，共同研發架構實驗及教學智慧云平臺，中心教師則在平臺上構建各種類型的教學資料，如圖1所示。將學習進程分為四個階段：基礎型—綜合型—設計型—創新型。非理工類專業學生全體需要完成基礎型和綜合型項目訓練，針對學生個性化發展進而研發設計型和創新型項目。

圖1-a所示為一個知識點所要完成的學習流程，主要包含項目簡介、學習目標和階段步驟，學生最喜歡的環節在于問答和項目評論，因為評論區是學生討論最激烈、思維最活躍的地方，能激發學生的學習動力;而問答環節，學生提出自己的學習疑問，教師都會一一在線或事后做出解答。圖1-b所示在階段步驟，學生根據項目簡介和學習目標有計劃地分步驟學習，點擊進入相應的教學資源鏈接。

在教學資源設計這塊，充分考慮知識點的難易程度而配以不同的教學媒介和教學手段，對較為簡單的則附以圖片資料講解，對難度大的知識點則附以教學視頻指導，對難度適中的則附以PPT+視頻講解的教學方式。

創建工業機器人工程實訓網絡在線仿真系統（機器人仿真）? 由于工業機器人工程實訓教學的特殊性，決定了工業級虛擬仿真在教學過程中具有不可替代的作用[7]。因此在課前在線平臺學習過程中，就必須將所學知識點通過在線仿真達到實踐的目的，這也是本中心云平臺最大的特點和作用之一。與華航唯實和亞龍教育裝備公司合作研發構建的虛擬仿真在線學習系統如圖2所示。學生需要在階段步驟下的模擬實驗環節進入仿真的鏈接，然后在系統里面按照步驟提示完成模擬實驗。在逼真的仿真操作環境中，學生對于知識點的實踐不再像以往必須在實訓機房教室學生機上通過專門的仿真軟件才可以學習，而是不受時間、地點和環境因素的影響，在學生宿舍或是其他教室只要連上中心服務器，進入云平臺，就可以隨時隨地練習。

3 非理工類專業任務驅動啟發式實踐教學活動設計

課堂上的教學活動注重“問與答”和“練”，這種問答并不是傳統教學中死板的教師問學生答，而是大膽地將學生作為課堂的主體，學生在實操過程中提出疑問，教師做出解答。解答不是一味地立即給出正確答案，而是有針對性地進行引導，啟發學生自己在實習過程中找尋到問題的答案[8]。

發散與集中思維教學? 對于不具備專業知識背景的非理工類學生來說，采用發散思維的教學方式來激發課堂上的學習興趣，是解決學習困難問題的一種有效途徑。為了真實反映學生在線預先學習的效果，課堂上就得設置問答環節，甚至有布置課堂作業，將在線學習系統中的知識點一個個滲透到問題中進行發散。課堂上學生則分成3～5人一小組，完成課堂作業，回答教師設置的問題。因為是思維的發散，學生回答的答案必定是多種形式，所以教師不能過早給予評定，而是可以設置有多種正確答案形式。隨著討論的深入，答案自然就能顯現出來，就形成集中思維定論。當然有時候也會出現相反狀況，發散后不一定能集中，不能水到渠成。

任務驅動/啟發式教學活動實施? 以往教師直接在工作站進行演示操作教學，學生則跟學;教師在課程中設置任務，學生實操完成。雖然運用這種方式，學生普遍能完成既定任務，但被動接受知識的方式很少有學生會主動去思考為什么這樣做？原理是什么？可以有其他更好的途徑或方法完成任務嗎？少部分沒有跟上教學進度的學生通常蒙混過關，大部分完成的學生依葫蘆畫瓢之后就是一片茫然，談不上學習興趣，更別說深入學習了。而現在應用翻轉課堂之后，就采用啟發式、自我調節式和任務式的實操實訓教學[8]。如以工業機器人教學項目模擬自動生產線為例，如圖3所示。

教學情境中設置問題1：模擬生產線上傳感器輸入控制信號包含哪些？具體如何配置？讓學生在現場工作站中找到各路傳感器設置位置（比如限位傳感器、落料傳感器、傳送到位傳感器等），然后比對機器人輸入輸出信號設置表（如表2所示），找到信號的對應關系后，在示教器中進行相應傳感器輸入信號關聯設置。

問題2：電磁閥布局位置在哪？如何設置氣動電磁閥控制信號？學生在該問題的驅動下在機器人工作站中找到氣動電磁閥的位置，并連接從電磁閥到氣動夾具的氣動管路。同時，教師讓學生在示教器中配置電磁閥控制信號DO10-11，并對信號進行置1置0操作，觀看信號的變化、電磁閥的控制動作，得以驗證變換的原理。

問題3：在機器人完成傳送帶上物料拾取到儲藏位置堆放過程中，哪些運動指令被使用？具體參數如何設置？教師有意識地讓學生去示教機器人運動路徑上的目標點，讓學生邊控制邊體會機器人是如何完成運動的，并根據不同運動指令做出姿態變化和調整。

經過上述一系列帶引導性和啟發性的問題，學生自然就會產生極大興趣。隨著問題的深入，一個個的節點任務被獨立成功完成之后，學生必將產生成就感和喜悅。伴隨任務進行的是學生學習動力的不斷增加，激發去探索和研究，意猶未盡，要求教師安排更多的項目任務。

在項目完成之后的討論環節顯得尤為重要，學生還是由原來的小組形式選取一名匯報人通過成果展示的方式，向其他小組成員和實訓教師匯報項目執行情況、遇到的問題、實際解決問題情況等內容。最后，實訓教師對各個小組進行綜述評價。通過這種自我展示和討論的方式增強學生的自信心與協作能力[9]。

建立完善的學生評價考核體系? 以往的評定標準采用“實操+實習報告”的方式，實行的是“大包干”的操作，沒能滿足學生個性化的需求，學生的綜合能力和素質也體現不出來。針對非理工類專業學生設計實施新的教學方案、教學手段和教學計劃后，學生進行在線云平臺教學知識點的預學習、工業機器人配件組裝、控制程序編寫調試、成果材料制作展示等一系列綜合訓練，分析問題與解決問題能力、邏輯推理能力、協調組織能力等都得以提高[10]。改革后的學生評價指標不再關注實習報告冊的撰寫，而是放在學生的過程實踐環節，分為課前、課中和課后：課前知識自學能力30%+課中實操動手能力30%+自我展示表現和團隊協作能力20%+課后總結20%。還是以工業機器人教學項目模擬自動生產線為例，展示評價指標，如表3所示。

4 結語

針對非理工類專業學生的工業機器人工程實訓教學模塊進行改革，遵循MOOC的理念花大力氣來設計云平臺在線學習和仿真系統，教學活動中采用翻轉課堂方式，以任務驅動和問題為導向來激發學生的學習動力和興趣，讓其主動尋找不同媒介信息源，進行自我調節式學習，從而進行動手實踐。實踐證明，通過改革，可以在少學時情況下達到同樣的教學效果，培養學生分析問題、解決問題的能力，提高學生信心、面對新生事物的抗壓承受能力，從而最終培養了工程能力。

參考文獻

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[8]鄒建新，徐慧，孫常清.基于工程能力培養的實驗教學體系構建[J].實驗室研究與探索，2010，29（12）：108-110.

[9]何朝陽，歐玉芳，曹祁.美國大學翻轉課堂教學模式的啟示[J].高等工程教育研究，2014（2）：148-151，161.

[10]戰強，閆彩霞，蔡堯.機器人教學改革的探索與實踐[J].現代教育技術，2010，20（3）：144-146.

項目來源：重慶市高等教育教學改革研究重點項目“高等院校應用技術型工業機器人工程實訓教學培養模式建設研究與實踐”

（基金編號：172022）;重慶理工大學校級重大教學改革培育項目“智能制造背景下高水平應用型工程訓練教學改革研究與實踐”（基金編號：2017ZDJG08）;重慶理工大學實驗技術開發基金項目“基于IRB120工業機器人創新型工程實訓教學模塊研發與實踐”（基金編號：SK201706）。

作者：明顯誠，重慶理工大學工程訓練與經管實驗中心，講師，研究方向為工業機器人、儀器儀表、信號檢測與控制;王國超，重慶理工大學工程訓練與經管實驗中心，教授，研究方向為工程力學（400054）。